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Amphibian Physiology Amphibian Physiology and Immunologyand Immunologyand Immunologyand Immunology

Lecture Road MapLecture Road Map

• Amphibian organ systems

• Function of systems 

• Physiological adaptations 

– Hibernation 

– Immune response

Integumentary system  Integumentary system  

• Amphibian Integument

• Epidermis‐single or few layers of Epidermis‐keratinized cells Aquatic amphibians‐no 

keratinized cells • Extremely permeable 

Absorb water directly from  environment 

• Dermis‐chromatophores and glands produce secretions which help protect the amphibian’s skin

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VisionVision

• Lacrimal and harderian glands present in most amphibians 

• Produce secretions that combine to form the tear film

• Eyes protected by nictitactiny p ymembranes

• Caecilians‐eyes covered with skin

• Amphibian eyes‐often protrude ventrally into the oral cavity when animal swallowing

Circulatory system Circulatory system 

• Double circulatory system 

• Heart is not always completely separated into two pumps. 

• Three‐chambered heart.

HeartHeart

• Two atria 

• One ventricle

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HeartHeart

• Ventricle Regions• Cavum venosum:paired

aortic arches,lead to aortic arches,lead to systemic circulation

• Cavum arteriosum:receivesCavum arteriosum:receivesblood from pulmonary veins and directs oxygenated blood to cavum venosum

• Cavum pulmonale: receives blood from right atrium and directs into pulmonary circulation

HeartHeart

• Pressure differences of out flow tracts and muscular ridge that partially separates cavum venosum and cavum pulmonalemaintain separation of oxygenated and deoxygenated blood

Heart rate

• Depends on species, size, temperature, activity level, and metabolic function  

• Heart rate=33.4 ×(Weight in kg‐0.25))

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Respiratory systemRespiratory system

• Frogs and toads‐vocal sacs arise from trachea

• Honey comb appearance 

• Openings of honey comb end at faveoli

– Fixed structures surrounded by capillaries

– Site of gas exchange

Respiratory systemRespiratory system

• Simple saclike lungs • Some salamanders have 

no lungs – Cutaneous respiration

• Pulmonary ventilation l f fresults from pumping of 

buccal cavity and pharynx • Gas exchange can also 

occur across mucous membranes of buccalcavity, pharynx, and cloaca 

Telmatobius culeus

Video

HearingHearing• Ears‐ both sides of head

• Tympanum‐may lie in depression and/or be covered by folds of skin 

• Columella‐ single bone in middle ear Connects to tympanum and quadrate bone Transmits vibrations to oval window of cochlea 

• Converted to nerve impulses and transmitted to the brain via the vestibulocochlearnerve

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HearingHearing

• Semicircular canals control balance and equilibrium

• Salamanders and caecilians‐no tympanic membranes; columellamay be degenerate

Digestive systemDigestive system

• Tongue used to capture prey 

• lingual flipping

• Numerous salivary glands y g

• Salivary secretions provide lubrication that aids in ingestion of large prey 

– Also has enzymatic properties

DentitionDentition

• Most amphibians have teeth 

• Caecilians and salamanders‐both maxillary andmaxillary and mandibular teeth  Palatal teeth in some species 

• Maxillary dentition present in some anuran species

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LarvaeLarvae

• Very specialized 

• Most lack a stomach

• The gastric region of the digestive tract usually forms a thickened sheath whicha thickened sheath, which produces mucus, a proteolytic cathepsin, and a low pH

• The intestine is relatively long, with no distinct separation into a midgutand hindgut.

Digestive systemDigestive system

• shortening of the intestine, removal and regeneration of intestinal epithelium, and the appearance of a distinct hindgut that is lined with columnar epithelium and goblet cells 

• Esophagus very short and wide, especially in anurans

CloacaCloaca

• Common out flow tract for GI and urogenital tracts 

• Three chambers: coprodeum,  urodeumand proctodeum

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KidneyKidney

• Excreting excess water• The permeable skin allows 

fresh water to enter by osmosis. 

• The problem is to conserve water not eliminate itwater, not eliminate it. 

• adjust  rate of filtration at the glomerulus

• When blood flow through the glomerulus is restricted, a renal portal system is present to carry away materials reabsorbed through the tubules.

KidneyKidney

• Able to use its urinary bladder to aid water conservation. 

• When in water, the frog's bladder quickly fills up with a hypotonic urine.yp

• On land, this water is reabsorbed into the blood helping to replace water lost through evaporation through the skin.

• The reabsorption is controlled by a hormone similar to mammalian ADH.

KidneyKidney

• Some amphibians excrete ammonia as a nitrogenous waste product; others excrete urea, some excrete uric acid 

• No ability to concentrate urine

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Controlling water lossControlling water loss

– Terrestrial and arboreal frogs have less permeable skin.

• Some tree frogs spread lipids on skin.

– During dry periods, tree frogs minimize surface area exposed to air.area exposed to air.

– All water acquired via skin (no drinking)

• water patch:  area of highly vascularized pelvic skin used to absorb water.

– Store water in bladder and reabsorb it during dry periods.

Nervous systemNervous system

• Brain‐well developed for basic functions (sight, olfaction,and movement) 

• 10 cranial nerves • Spinal cord extends to the 

i f h il l dtip of the tail salamanders and caecilians; ends in lumbar region in frogs and toads

• Animal dependent upon spinal segmental reflexes to control movement

ReproductionReproduction

• Sexual dimorphism in some species 

– Size and color

– Enlarged toe pads

– Large tympanic membranes 

– Vocal sacs 

– Prominent cloacal glands in male salamanders

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Mating tubercles Mating tubercles 

Smoky jungle frogSmoky jungle frog

Reproduction Reproduction 

• Paired gonads in dorsocaudal coelomiccavity 

• Bidder’s organs‐ ovarian remnants near testes in male toads 

• Most caecilians are viviparous 

• Most anurans and salamanders are oviparous

• Eggs are usually deposited in or near water 

salamanderssalamanders

– Spermatophore:  large packet of lipid and sperm used for fertilization in various ways:

a.Male pushes spermataphore into female’s cloaca.

b. Female picks up spermataphore with cloaca.

c. Female deposits eggs on spermatophore (external fertilization)

Fig. 10-11

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Life cycle Life cycle 

• Larval anurans (tadpoles) have completely aquatic lives prior to metamorphosis 

• Tadpole metamorphosis‐varies among species 

– Metamorphosis is stimulated by thyroid hormones

Endocrine systemEndocrine system

Endocrine systemEndocrine system

• Single thyroid gland 

• Size of thyroid gland varies according to season and metabolic state 

• Parathyroid glands and ultimobrachial bodies in cervical region

• Exact location of endocrine organs in amphibians varies

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Anuran MetamorphosisAnuran MetamorphosisStages:  regulated by thyroxine released from thyroid.

1. Premetamorphosis: tadpoles increase in size.

2. Prometamorphosis: hind legs appear; slower growth.

3. Metomorphic climax: forelegs appear and tail regresses; rapid portion of metamorphosis (when frog is most vulnerable).

Video

Anuran MetamorphosisAnuran Metamorphosis

• Stable environment

– Abundant resources

– No predators 

– Stable weather– Stable weather conditions  

Anuran MetamorphosisAnuran Metamorphosis

• Hydric stress 

• Predation

• Competition 

• Diseases 

Warne et al., 2010

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Stress adaptations

• Speed metamorphosis 

R d i• Reduce size

• Cannibalism

• Diseases  

• Death  

Physiological adaptations Physiological adaptations 

Seasonal changes Seasonal changes Xeric environmentsXeric environments

HibernationHibernation

• Go dormant during the winter • Slow metabolism • Decrease respiration• In ponds • Swim to the bottoms and  rest on 

the bottom or partially burrow into the mudinto the mud.

• must be deep enough that they will not be frozen into solid ice, 

• water must have an adequate amount of oxygen. 

• Many species can survive underwater for months, their bodies very slowly burning fat stored in their bodies.

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HibernationHibernation

• Dig below the frost line to avoid freezing. 

• Salamanders use abandoned burrows or other natural holes. 

• Some frogs in the far north can actually freeze solid.

• Reduce water in their bodies (more than half) its veins fill with anthan half), its veins fill with an antifreeze‐like mixture of sugars and sugar alcohols, and freezes. 

• While it's frozen, it's hard, and ice forms around the frog's organs. However, the frog's individual cells remain unfrozen and intact. 

• When frozen doesn't breathe nor does its heart beat. Brain activity is immeasurable. 

AestivationAestivation

• Hot, dry weather • Move underground where it is 

cooler and more humid. • During estivation breathing, heart 

rate, and metabolic processes such as digestion all dramatically slow down. 

• Decreases the organism's need for water. 

• Some frogs and salamanders form a mucus cocoon around themselves to prevent water loss through their skin. 

• When rains return, estivating organisms become active again 

Immune systemImmune system

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• Both have active innate immune system 

• Small amount of T cells and B cells in larvae 

Differences in immune systemDifferences in immune system

• NK cells only right before metamorphosis 

• Immune system will be complete 2‐3 weeks after metamorphosis 

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Adults Adults 

Larvae

Can amphibians fight back diseases? Can amphibians fight back diseases? 

• Larvae

– Competent innate system

– Weak but present adaptive

• Adults

– Strong innate and adaptive 

– Antimicrobial peptides

QuestionsQuestions

• Are larvae and adults equally susceptible to diseases 

di i fl l l l h• Can disease influence larval stage length 

• How does stress affect larval development